半導(dǎo)體物理 第二章+雜質(zhì)能級

1、School of Microelectronics半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理 河海大學(xué)河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級l理想半導(dǎo)體：1、原子嚴(yán)格地周期性排列，晶體具有完整的晶格 結(jié)構(gòu)。2、晶體中無雜質(zhì)，無缺陷。3、電子在周期場中作共有化運(yùn)動，形成允帶和禁帶電子能量只能處在允帶中的能級上，禁帶中無能級。由本征激發(fā)提供載流子本征半導(dǎo)體晶體具有完整的（完美的）晶格結(jié)構(gòu)，無任何雜質(zhì)和缺陷。 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級l 實(shí)際材料中1、總是有雜質(zhì)、缺陷，使周期場破壞，在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)對應(yīng)的能級常常處在禁帶中，對半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響。

2、2、雜質(zhì)電離提供載流子。 3、三種缺陷：點(diǎn)缺陷，如空位，間隙原子；線缺陷，如錯位；面缺陷，如層錯，晶粒間界2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級 2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)l 一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子一個晶胞中包含有八個硅原子，若近似地把原子看成是半徑為看成是半徑為r的圓球，則可以計(jì)算出這八個原于的圓球，則可以計(jì)算出這八個原于占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：占據(jù)晶胞空間的百分?jǐn)?shù)如下：l 說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內(nèi)的說明，在金剛石型晶體中一個晶胞內(nèi)的8個原子個原子只占有晶胞體積的只占有晶胞體積的34% %，還有，還有66%66%是空隙是空隙331323 =48384 0.34r

3、arara2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)l 金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖金剛石型晶體結(jié)構(gòu)中的兩種空隙如圖2-1所示。所示。這些空隙通常稱為間隙位置這些空隙通常稱為間隙位置2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅后，以兩種方式存在后，以兩種方式存在l 一種方式是雜質(zhì)原子位一種方式是雜質(zhì)原子位于品格原子間的間隙位于品格原子間的間隙位置，常稱為置，常稱為間隙式雜質(zhì)雜質(zhì)（A）l 另一種方式是雜質(zhì)原子另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，常稱為格點(diǎn)處，常稱為替位式雜質(zhì)（雜質(zhì)（B）2.1.1 替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì) 兩種雜質(zhì)特點(diǎn)：兩

4、種雜質(zhì)特點(diǎn)：l 間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子，間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如：鋰離子，0.068nml 替值式雜質(zhì)時(shí)：替值式雜質(zhì)時(shí)：1）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比）雜質(zhì)原子的大小與被取代的晶格原子的大小比較相近較相近2）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近）價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近如：如：族元素族元素2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級l族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)閭優(yōu)槭┲麟s質(zhì)或或n型雜質(zhì)2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級 以硅中摻磷以硅中摻磷P為例：為例：l 磷原子占據(jù)硅原子的位置。

5、磷原磷原子占據(jù)硅原子的位置。磷原子有五個價(jià)電子。其中四個價(jià)電子有五個價(jià)電子。其中四個價(jià)電子與周圍的四個硅原于形成共價(jià)子與周圍的四個硅原于形成共價(jià)鍵，還剩余一個價(jià)電子。鍵，還剩余一個價(jià)電子。l 這個多余的價(jià)電子就束縛在正電這個多余的價(jià)電子就束縛在正電中心中心P的周圍。價(jià)電子只要很的周圍。價(jià)電子只要很少能量就可掙脫束縛，成為少能量就可掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運(yùn)動在晶格中自由運(yùn)動l 這時(shí)磷原子就成為少了一個價(jià)電這時(shí)磷原子就成為少了一個價(jià)電子的磷離子子的磷離子P，它是一個不能，它是一個不能移動的移動的正電中心。2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級l 上述電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的上述電子

6、脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為過程稱為雜質(zhì)電離l 使個多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需使個多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量稱為要的能量稱為雜質(zhì)電離能l 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮樱拱雽?dǎo)體成為離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。2.1.2 施主雜質(zhì) 施主能級l 施主雜質(zhì)的電離過程，可以施主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示用能帶圖表示l 如圖如圖2-4所示所示.當(dāng)電子得到能當(dāng)電子得到能量后，就從施主的束縛態(tài)躍量后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所遷到導(dǎo)帶

7、成為導(dǎo)電電子，所以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的以電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比導(dǎo)帶底能量比導(dǎo)帶底 低低 。將被施主雜質(zhì)束縛的電子的將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為能量狀態(tài)稱為施主能級，記，記為為 ED ，所以施主能級位于，所以施主能級位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中離導(dǎo)帶底很近的禁帶中DEDEDECE2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級l族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生族雜質(zhì)在硅、鍺中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心，所以稱它們?yōu)闉槭苤麟s質(zhì)或或p型雜質(zhì)。2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級 以硅中摻磷以硅中摻磷B為例：為例：l B原子占據(jù)硅原子的位置。磷原原子占據(jù)硅原子

8、的位置。磷原子有三個價(jià)電子。與周圍的四子有三個價(jià)電子。與周圍的四個硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個硅原于形成共價(jià)鍵時(shí)還缺一個電子，就從別處奪取價(jià)電子，個電子，就從別處奪取價(jià)電子，這就在這就在Si形成了一個空穴。形成了一個空穴。l 這時(shí)這時(shí)B原子就成為多了一個價(jià)電原子就成為多了一個價(jià)電子的磷離子子的磷離子B，它是一個不能，它是一個不能移動的負(fù)移動的負(fù)電中心。l 空穴束縛在正電中心空穴束縛在正電中心B的周圍。的周圍?？昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌昭ㄖ灰苌倌芰烤涂蓲昝撌`，成為縛，成為導(dǎo)電空穴在晶格中自在晶格中自由運(yùn)動由運(yùn)動2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級l 使空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為使空穴

9、掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能l 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)導(dǎo)電的電的p型半導(dǎo)體。2.1.3 受主雜質(zhì) 受主能級l 受主雜質(zhì)的電離過程，可受主雜質(zhì)的電離過程，可以用能帶圖表示以用能帶圖表示l 如圖如圖2-6所示所示.當(dāng)空穴得到當(dāng)空穴得到 能量能量 后，就從受主的束后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴，所以電子被受主雜空穴，所以電子被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂質(zhì)束縛時(shí)的能量比價(jià)帶頂 高高 。將被受主雜質(zhì)。將被受主

10、雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為為受主能級，記為，記為 ，所，所以受主能級位于離價(jià)帶頂以受主能級位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中很近的禁帶中AEAEAEVE2.1.4 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算l淺能級雜質(zhì)：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。：電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。l所謂所謂淺能級，是指施主能級靠近導(dǎo)帶底，受主，是指施主能級靠近導(dǎo)帶底，受主能級靠近價(jià)帶頂。能級靠近價(jià)帶頂。l室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜室溫下，摻雜濃度不很高底情況下，淺能級雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（質(zhì)幾乎可以可以全部電離。五價(jià)元素磷（P）、）、銻（銻（Sb）在硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元）在

11、硅、鍺中是淺受主雜質(zhì)，三價(jià)元素硼（素硼（B）、鋁（）、鋁（Al）、鎵（）、鎵（Ga）、銦（）、銦（In）在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。在硅、鍺中為淺受主雜質(zhì)。2.1.4 淺能級雜質(zhì)電離能的簡單計(jì)算l類氫模型類氫模型4022208nm qEh n0113.6EEEV0 nrmm *020nDrmEEm*020pArmEEm11 123nnltmmmm電導(dǎo)有效質(zhì)量0.025()DEeV Si 可得同一個數(shù)量級2.1.5 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用l 雜質(zhì)補(bǔ)償：半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為它們底共同作用會使載流子減少，這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)

12、償。在制造半導(dǎo)體器件底過程中，通過采雜質(zhì)補(bǔ)償。在制造半導(dǎo)體器件底過程中，通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個區(qū)域底導(dǎo)電用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個區(qū)域底導(dǎo)電類型或電阻率。類型或電阻率。 l 高度補(bǔ)償：若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種不大或二者相等，則不能提供電子或空穴，這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償。這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，為高純度半導(dǎo)體，實(shí)際上含雜質(zhì)很多，性能很差，一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。一般不能用來制造半導(dǎo)體器件。 2.1.4 雜質(zhì)

13、的補(bǔ)償作用l 1） ： 受主能級低于施主能級，剩余雜質(zhì)受主能級低于施主能級，剩余雜質(zhì) 2） ：施主能級低于受主能級，剩余雜質(zhì)：施主能級低于受主能級，剩余雜質(zhì)l 3） 高度補(bǔ)償：有效施主濃度高度補(bǔ)償：有效施主濃度 有效受主濃度有效受主濃度DANNDANNDANNDANNDANNADNNADNN2.1.6 深能級雜質(zhì)l 深能級雜質(zhì)：非：非族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在SiSi、GeGe的禁帶中的禁帶中產(chǎn)生的產(chǎn)生的施主能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級遠(yuǎn)離價(jià)施主能級遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底，受主能級遠(yuǎn)離價(jià)帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離帶頂。雜質(zhì)電離能大，能夠產(chǎn)生多次電離金在硅中的能級金在硅中的能級2.1.6 深能級雜質(zhì)l三個基本特

14、點(diǎn)：三個基本特點(diǎn)：一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；一、是不容易電離，對載流子濃度影響不大；二、是一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能二、是一般會產(chǎn)生多重能級，甚至既產(chǎn)生施主能級也產(chǎn)生受主能級。級也產(chǎn)生受主能級。三、是能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命三、是能起到復(fù)合中心作用，使少數(shù)載流子壽命降低（在第五章詳細(xì)討論）。降低（在第五章詳細(xì)討論）。四、是深能級雜質(zhì)電離后以為帶電中心，對載流四、是深能級雜質(zhì)電離后以為帶電中心，對載流子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性子起散射作用，使載流子遷移率減少，導(dǎo)電性能下降。能下降。2.2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形

15、式 l 主要有有下述種情況：1）取代砷）取代砷2）取代鎵）取代鎵3）填隙）填隙 l性質(zhì)l （1）1族元素，一般在砷化鎵中起受主作用l （2）2族元素，能獲得電子表現(xiàn)為受主l （3）3族元素慘入一般不影響，但有可能形成等電子陷阱l （4）4族元素加入，取代3族起施主作用；取代5族起受主作用l （5）6族元素，必5族多一個電子，容易形成施主，引入施主能級l （6）過渡元素，情況比較復(fù)雜2.2.1 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式l 四族元素硅在砷化鎵中會產(chǎn)生雙四族元素硅在砷化鎵中會產(chǎn)生雙性行為，即硅的濃度較低時(shí)主要性行為，即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較起施主雜質(zhì)作用，當(dāng)硅的濃度較高時(shí)，一

16、部分硅原子將起到受主高時(shí)，一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用。雜質(zhì)作用。l 這種雙性行為可作如下解釋：這種雙性行為可作如下解釋： 因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí)，硅原子不僅取代鎵原子起著施主雜質(zhì)子不僅取代鎵原子起著施主雜質(zhì)的作用，而且硅也取代了一部分的作用，而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用，因而對于取代用，因而對于取代族原子鎵的族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電降低了有效施主雜質(zhì)的濃度，電子濃度趨于飽和。子濃度趨于飽和。 2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級 (defect level

17、s)2.3.1點(diǎn)缺陷（熱缺陷）point defects/thermaldefects l點(diǎn)缺陷的種類：弗侖克耳缺陷：原子空位和間隙原子同時(shí)存在原子空位和間隙原子同時(shí)存在肖特基缺陷：晶體中只有晶格原子空位晶體中只有晶格原子空位間隙原子缺陷：只有間隙原子而無原子空位只有間隙原子而無原子空位2.3.1點(diǎn)缺陷l 點(diǎn)缺陷（熱缺陷）特點(diǎn) ：熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。熱缺陷中以肖特基缺陷為主（即原子空位為主）。原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量原因：三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小。（可參閱劉文明最小。（可參閱劉文明

18、半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)p70p73，或葉良修，或葉良修半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)p24和和p94）淬火后可以淬火后可以“凍結(jié)凍結(jié)”高溫下形成的缺陷。高溫下形成的缺陷。退火后可以消除大部分缺陷。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工退火后可以消除大部分缺陷。半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中，經(jīng)高溫加工（如擴(kuò)散）后的晶片一般都需藝中，經(jīng)高溫加工（如擴(kuò)散）后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火要進(jìn)行退火處理。離子注入形成的缺陷也用退火來消除。來消除。 2.3.1點(diǎn)缺陷l 點(diǎn)缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響： 1）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在）缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，致使在禁帶中產(chǎn)生能級。禁帶中產(chǎn)生能級。2）熱缺陷能級大多為深能級，在半導(dǎo)體中起復(fù)合）熱缺陷能級大多為深能級，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。中心作用，使非平衡載流子濃度和壽命降低。3）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散）空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散4）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命）對載流子有散射作用，使載流子遷移率和壽命降低。降低。2.3.1點(diǎn)缺陷2.3.1點(diǎn)缺陷